Tekoälyn laskentatehon nopean iteroinnin ja huippuluokan sirujen lämmönhaihdunnan haasteiden lisääntyessä, ultra-korkean lämmönjohtavuuden omaavasta timantista on tulossa lupaava puolijohdemateriaali. Diamondin poikkeuksellinen lämmönjohtavuus johtuu sen ainutlaatuisesta mikrorakenteesta, joka perustuu ensisijaisesti hilavärähtelyihin lämmönsiirrossa. Hiiliatomien väliset erittäin vahvat C–C-sidokset yhdistettynä hiilen pieneen atomimassaan rajoittavat atomit värähtelyihin, jotka ovat lähellä potentiaalisen energian minimiä, mikä antaa timantille poikkeuksellisen korkean lämmönjohtavuuden. Samaan aikaan kaikki timantissa olevat valenssielektronit osallistuvat sitoutumiseen eivätkä voi liikkua vapaasti, mikä antaa sille erinomaisen sähköeristyksen. Tämä kaksoisominaisuus "korkea lämmönjohtavuus + eristys" laajentaa entisestään sen käyttöaluetta.
Mikron- tai nanometrin-mittakaavassa olevia timanttijauheita, joille on ominaista keskittynyt hiukkaskokojakauma, tarkka morfologia, korkea puhtaus, vähän sisäisiä vikoja ja erittäin korkea lämmönjohtavuus, voidaan sisällyttää metalli-matriisimateriaaleihin käytettäväksi jäähdytyselementteinä, lämpöä{4}}levittävinä materiaaleina. Ne toimivat myös funktionaalisina lämpörajapintaina (TIM-pohjaisina jne.). rasvat, lämpöliimat ja lämpötyynyt.
Timanttimikrojauheen valmistus
Tällä hetkellä ensisijainen teollinen menetelmä timanttimikrojauheiden valmistukseen on staattinen korkean -lämpötilan korkea-paine (HPHT) -murskausreitti: HPHT:lla syntetisoituja karkea-rakeisia yksittäisiä-kiteisiä timanttihiukkasia käytetään raaka-aineena, joka sitten alistetaan prosesseihin, murskaukseen ja luokitukseen.
(1) Timanttien synteesi– HPHT-menetelmä toimii tyypillisesti korkeissa lämpötiloissa (1300–1700 astetta) ja korkeissa paineissa (5–7 GPa) pääraaka-aineina grafiittijauhetta ja metallikatalyyttijauheita. Katalyytin vaikutuksesta hiilen lähde (grafiitti) muuttuu timantiksi.
(2) Murskaus ja muotoilu– Murskaus- ja muotoiluprosessit vaikuttavat suoraan hiukkasten muotoon ja tavoitehiukkaskokojen saantoon. Yleensä karkeiden raaka-aineiden pienentäminen mikronin tai submikronin kokoisiksi saavutetaan kahdella perusmenetelmällä: mekaanisella iskulla ja suihkujyrsinnällä.
(3) Luokitus– Hiukkaskokojen luokittelu on kriittinen vaihe timanttimikrojauheen tuotannossa, joka vaikuttaa sekä tuotannon tehokkuuteen että tuotteiden laatuun. Monet valmistajat yhdistävät tällä hetkellä luonnollisen sedimentoinnin ja sentrifugoinnin tuottaakseen täyden valikoiman{1}}mikrojauheita hienosta karkeaan.
Lämpösovellus 1: Optimaalinen lämpöä johtava täyteaine
Timanttitäyteaineet dispergoidaan polymeerimatriiseihin (esim. silikoneihin, epoksihartseihin) komposiitteiksi, jotka täyttävät lämpöä tuottavien komponenttien ja jäähdytyselementtien väliset mikroskooppiset raot, vähentävät kosketuksen lämpövastusta ja muodostavat jatkuvat lämmönjohtamisverkostot kerääntyneen lämmön nopeasti haihduttamiseksi. TIM:ien, kuten lämpörasvojen, tyynyjen ja kapselointiaineiden, ydinraaka-aineena timanttijauhe määrää suoraan lämmönhallintajärjestelmän tehokkuuden ja vakauden.
Lämpösovellus 2: Tehokkaat-timantti-/metallikomposiitit
Hyödyntämällä timantin korkeaa lämmönjohtavuutta, alhaista lämpölaajenemiskerrointa ja pientä tiheyttä tutkijat kehittävät aktiivisesti metallimatriisikomposiitteja, jotka on vahvistettu timanttihiukkasilla korkean lämmönjohtavuuden sovelluksiin. Timantti/metalli-komposiittien erinomaiset lämpöfysikaaliset ominaisuudet tekevät niistä erittäin lupaavia elektroniikkapakkauksissa. Nykyinen tutkimus keskittyy pääasiassa valmistusmenetelmiin, kuten jauhemetallurgiaan ja nesteiden tunkeutumiseen. Perinteisesti käsitellyt timantti/alumiinikomposiitit saavuttavat lämmönjohtavuuden 250–600 W/(m·K), kun taas timantti/kuparikomposiitit voivat saavuttaa 420–900 W/(m·K).
Timanttijauhe on avainraaka-aine, joka määrittää komposiitin lämmönjohtavuuden ylärajan; sen laatu, hiukkaskoko ja kidemorfologia vaikuttavat suoraan lopputuotteen suorituskykyyn. Samoin timantti- ja metallimatriisien huono rajapintojen yhteensopivuus-johtaen voimakkaaseen fononien sirontaan rajapinnoissa-rajoittaa komposiittien lämmönjohtavuutta. Tätä voidaan lieventää optimoimalla valmistusprosesseja, modifioimalla timanttihiukkasten pinnan karheutta ja kemiallisia tiloja rajapintojen sitoutumisen parantamiseksi tai ottamalla käyttöön rajapinnan siirtymäkerroksia matriisilejeeringin tai timanttihiukkasten pintametalloinnin avulla.
Vankan teollisen perustan ja laajojen markkinamahdollisuuksien ansiosta monet kotimaiset yritykset kiihdyttävät timantti{0}}pohjaisten komposiittien lämmönhallintamateriaalien tutkimusta ja kehitystä sekä teollistumista.